Modul Dan Kesalahan Modul PV Surya

Sumber: ee.co.za

Peralatan PV surya modern dirancang untuk operasi yang andal selama masa pakai penuh produk. Meskipun ada cacat manufaktur dan kegagalan prematur masih terjadi yang dapat mempengaruhi kinerja suatu produk.

Keandalan dan kualitas dirancang dan dibangun untuk peralatan PV surya modern. Teknik-teknik produksi massal, meskipun terkontrol, dan kontrol kualitas yang buruk masih dapat menyebabkan cacat produksi ke dalam produk, dan pemasangan di lapangan serta transportasi dapat mengakibatkan kerusakan, yang semuanya dapat mempersingkat masa pakai produk.

Salah satu faktor kunci dalam mengurangi biaya sistem fotovoltaik adalah meningkatkan keandalan dan masa pakai modul PV. Statistik hari ini menunjukkan tingkat degradasi daya terukur untuk modul PV silikon kristalin 0,8% / tahun [1]. Meskipun produk-produk modern dirancang untuk menggunakan bahan berkualitas tinggi dan pembuatan mekanis, persaingan harga telah menghasilkan bahan yang lebih tipis dan lebih sedikit digunakan dalam pembuatan panel. Selain itu ada bukti bahwa beberapa pabrik telah kembali menggunakan bahan berkualitas rendah dengan harga lebih murah.

Kegagalan prematur panel dapat memiliki implikasi keuangan besar untuk instalasi PV, karena biaya siklus hidup utama adalah modal. Kegagalan modul PV adalah efek yang menurunkan daya modul yang tidak terbalik oleh operasi normal atau menciptakan masalah keselamatan.

Masalah kosmetik murni yang tidak memiliki konsekuensi ini tidak dianggap sebagai kegagalan modul PV. Kegagalan modul PV relevan untuk garansi saat terjadi dalam kondisi yang biasanya dialami modul [1].

Biasanya kegagalan produk dibagi menjadi tiga kategori berikut:

• Kegagalan bayi

• Kegagalan paruh baya

• Kegagalan aus

Gambar. 1 menunjukkan contoh untuk ketiga jenis kegagalan untuk modul PV. Selain kegagalan modul ini, banyak modul PV menunjukkan penurunan daya yang diinduksi cahaya (LID) segera setelah instalasi. LID adalah tipe kegagalan yang terjadi bagaimanapun dan daya terukur yang dicetak pada label modul PV biasanya disesuaikan dengan kehilangan daya jenuh standar yang diharapkan karena kegagalan ini.

Gambar 1: Tiga skenario kegagalan khas untuk modul photovoltaic kristal berbasis wafer [1].

LID: Degradasi yang disebabkan oleh cahaya
PID: Potensi degradasi yang diinduksi
EVA: Etilena vinil asetat
J-box: Kotak persimpangan

Terjadi kesalahan dan kegagalan

Studi terperinci tentang kegagalan dalam layanan selama masa pakai panel tidak tersedia karena sebagian besar pemasangan masih baru, dan pemasok enggan untuk merilis angka tersebut. Laporan studi kematian bayi, yaitu kegagalan pada instalasi, memberikan angka antara 1 dan 2% dari semua panel yang dipasang [3]. Beberapa studi simulasi dengan masa hidup dipercepat telah dilakukan, tetapi pada sejumlah panel.

BP Solar telah melaporkan tingkat kegagalan 0,13% selama periode delapan tahun untuk panel Solarex c-Si dan Sandia National Laboratories telah memperkirakan tingkat kegagalan 0,05% per tahun berdasarkan data lapangan [4]. Namun ini adalah angka awal kehidupan jangka pendek dan tidak ada angka pada kegagalan akhir hidup untuk instalasi skala besar yang tersedia.

Cacat dan kegagalan utama

Kegagalan dapat dibagi menjadi tipe kegagalan terkait kinerja dan keselamatan. Kegagalan yang berhubungan dengan keselamatan dapat mengakibatkan kerusakan pada properti atau cedera pada personel. Kegagalan yang terkait dengan kinerja menghasilkan kehilangan atau penurunan daya output.

Kerusakan terjadi pada area berikut:

• Wafer atau sel dalam produk kristal PV

• Enkapsulasi

• Dasar gelas

• Kabel internal

• Bingkai dan perlengkapan

• Lapisan amorf dalam PV amorf

Wafer atau kesalahan sel

Kerusakan efisiensi sel adalah normal sepanjang usia sel dan tidak dianggap sebagai kesalahan atau kegagalan kecuali laju degradasi melebihi batas normal. Mayoritas kesalahan wafer atau sel akan retak dari wafer dan kerusakan pada koneksi dan konduktor. Kesalahan yang lebih kecil muncul dari kerusakan lapisan anti-reflektif (ARC) dan korosi sel. Degradasi yang diinduksi cahaya dalam panel surya amorf adalah efek yang diketahui dan tidak selalu dianggap sebagai kegagalan. Potensi degradasi yang diinduksi adalah fenomena baru yang muncul sebagai akibat dari meningkatnya tegangan yang digunakan dalam sistem PV.

Delaminasi lapisan anti-reflektif

Lapisan anti-reflektif (ARC) meningkatkan penangkapan cahaya dan, karenanya, meningkatkan konversi daya modul. Delaminasi ARC terjadi ketika lapisan anti-reflektif keluar dari permukaan silikon sel. Ini bukan cacat serius kecuali ada banyak delaminasi [2]. Penelitian telah menunjukkan properti ARC menjadi faktor penyebab PID.

Retak sel

Celah dalam modul PV ada di mana-mana. Mereka dapat berkembang dalam berbagai tahap masa hidup modul.

Selama pembuatan khususnya, penyolderan menyebabkan tekanan tinggi ke dalam sel. Penanganan dan getaran dalam transportasi dapat menyebabkan atau memperluas retakan [4]. Akhirnya, modul di lapangan mengalami beban mekanis karena angin (tekanan dan getaran) dan salju (tekanan).

Retak mikro dapat disebabkan atau diperburuk oleh:

• Pembuatan

• Mengangkut

• Instalasi

• Stres dalam layanan (panas dan lainnya)

Wafer kristal telah meningkat dalam ukuran dan ketebalan menurun selama bertahun-tahun, meningkatkan potensi kerusakan dan retak. Retak dalam sel surya adalah masalah asli untuk modul PV karena sulit dihindari dan, sampai sekarang, pada dasarnya tidak mungkin untuk mengukur dampaknya pada efisiensi modul selama masa pakainya. Secara khusus, keberadaan retakan mikro mungkin hanya memiliki efek marginal pada kekuatan modul baru, selama bagian-bagian sel yang berbeda masih terhubung secara elektrik.

Seiring bertambahnya usia modul dan mengalami tekanan termal dan mekanis, retakan dapat terjadi. Gerakan relatif berulang dari bagian-bagian sel yang retak dapat menghasilkan pemisahan yang lengkap, sehingga menghasilkan bagian-bagian sel yang tidak aktif. Untuk kasus khusus ini, penilaian yang jelas tentang kehilangan daya dimungkinkan. Untuk 60 sel, modul 230 W PV kehilangan bagian sel dapat diterima selama bagian yang hilang lebih kecil dari 8% dari luas sel [3].

Gambar 2: Jejak siput karena retakan mikro dalam sel [1].

Retak mikro adalah retakan pada substrat silikon sel PV yang seringkali tidak terlihat oleh mata telanjang. Celah dapat terbentuk dalam panjang dan orientasi yang berbeda dalam sel surya. Mengiris wafer, merangkai produksi sel dan proses embedding selama proses produksi menyebabkan retakan sel dalam sel fotovoltaik. Proses merangkai sel surya memiliki risiko sangat tinggi untuk menyebabkan retakan [1].

Ada tiga sumber retakan mikro yang berbeda selama produksi; masing-masing memiliki probabilitas kemunculannya sendiri:

• Retak mulai dari pita interkoneksi sel disebabkan oleh tegangan sisa yang disebabkan oleh proses penyolderan. Retak ini sering terletak di ujung atau titik awal konektor, karena ada tegangan sisa tertinggi. Jenis retakan ini adalah yang paling sering.

• Yang disebut lintas retak, yang disebabkan oleh mesin menekan wafer selama produksi.

• Retak mulai dari tepi sel disebabkan oleh sel yang berdampak pada benda keras.

Setelah retakan sel hadir dalam modul surya, ada peningkatan risiko bahwa selama operasi modul sel pendek retakan dapat berkembang menjadi retakan yang lebih panjang dan lebih luas. Ini karena tekanan mekanik yang disebabkan oleh beban angin atau salju dan tekanan termo mekanis pada modul surya karena variasi suhu yang disebabkan oleh awan yang lewat dan variasi cuaca.

Retak mikro mungkin memiliki berbagai asal dan menghasilkan hasil yang agak "lunak" seperti penghancuran hasil-bagian dari sel yang terkena dampak hingga dampak yang lebih parah yang melibatkan penurunan arus hubung singkat dan efisiensi sel. Secara visual, retakan mikro dapat muncul dalam bentuk apa yang disebut "jalur siput" pada struktur sel. Namun, jalur siput - sebagai tanda dampak jangka panjang - juga bisa merupakan hasil dari proses kimia yang menyebabkan permukaan sel berubah dan / atau hot spot.

Tergantung pada pola retakan dari retakan yang lebih besar, tekanan termal, tekanan mekanis, dan kelembaban dapat menyebabkan bagian sel “mati” atau “tidak aktif” yang menyebabkan hilangnya output daya dari sel fotovoltaik yang terpengaruh. Bagian sel mati atau tidak aktif berarti bahwa bagian tertentu dari sel fotovoltaik tidak lagi berkontribusi terhadap output daya total modul surya. Ketika bagian sel fotovoltaik yang mati atau tidak aktif ini lebih besar dari 8% dari total area sel, ini akan menyebabkan hilangnya daya yang secara linear meningkat secara linear dengan area sel yang tidak aktif [1].

Celah berpotensi tumbuh selama waktu operasional yang lebih lama dan dengan demikian memperluas dampak jahatnya pada fungsi dan kinerja modul PV, berpotensi memicu hot spot juga. Tidak terdeteksi, retakan mikro dapat menghasilkan umur bidang yang kurang dari yang diharapkan. Mereka berbeda dalam ukuran, lokasi pada sel dan kualitas dampak.

Retak mikro dapat dideteksi di lapangan sebelum instalasi dan selama masa proyek. Ada beberapa metode pengujian kualitas untuk mengidentifikasi retakan mikro yang pengujian electroluminescence (EL) atau electroluminescence crack detection (ELCD) adalah salah satu metode yang paling banyak diterapkan. Pengujian EL dapat mendeteksi cacat tersembunyi yang sebelumnya tidak dapat dilacak dengan metode pengujian lain, seperti pencitraan inframerah (IR) dengan kamera termal, karakteristik VA dan pengujian blitz [1]. Beberapa produsen merekomendasikan pemeriksaan berkala terhadap panel yang dipasang selama masa hidup [3].

Kesalahan enkapsulasi

Panel surya adalah "sandwich", terdiri dari berbagai lapisan bahan (Gbr. 3).

Gbr. 3: Komponen modul PV [2].

Bahan enkapsulasi digunakan untuk:

• Tahan panas, kelembaban, radiasi UV dan siklus termal

• Berikan daya rekat yang baik

• Secara optik pasangan kaca ke sel

• Mengisolasi komponen secara listrik

• Mengontrol, mengurangi, atau menghilangkan masuknya uap air

Bahan yang paling banyak digunakan untuk enkapsulasi adalah ethaline vinyl acetate (EVA). Kegagalan enkapsulan dapat menyebabkan kegagalan atau kerusakan modul PV.

Kegagalan adhesi

Adhesi antara kaca, enkapsulan, lapisan aktif, dan lapisan belakang dapat dikompromikan karena berbagai alasan. Lapisan tipis dan jenis lain dari teknologi PV juga dapat mengandung oksida konduktif transparan (TCO) atau lapisan serupa yang dapat memisahkan dari lapisan kaca yang berdekatan.

Biasanya, jika adhesi terganggu karena kontaminasi (misalnya pembersihan kaca yang tidak benar) atau faktor lingkungan, delaminasi akan terjadi, diikuti oleh masuknya uap air dan korosi. Delaminasi pada antarmuka dalam jalur optik akan menghasilkan refleksi optik (misalnya, hingga 4%, kehilangan daya, pada antarmuka udara / polimer tunggal) dan selanjutnya kehilangan arus (daya) dari modul [1].

Produksi asam asetat

Lembaran EVA bereaksi dengan uap air untuk membentuk asam asetat yang mempercepat proses korosi komponen dalam komponen modul PV. Ini juga dapat dihasilkan dari proses penuaan EVA, dan dapat menyerang kontak perak dan memengaruhi produksi sel. Untuk lembaran belakang yang permeabel, ini bukan masalah karena asam asetat dapat keluar. Namun, untuk lembaran belakang yang tidak tembus cahaya, cacat ini dapat menyebabkan kehilangan daya yang cukup besar dari waktu ke waktu.

Pewarnaan enkapsulan

Ini akan mengakibatkan beberapa kehilangan transmisi dan karenanya mengurangi daya. Perubahan warna disebabkan oleh pemutihan oksigen, sehingga dengan lembaran belakang yang dapat bernapas bagian tengah sel berubah warna sementara cincin luar tetap jernih. Ini dapat terjadi karena ikatan silang yang buruk dan / atau aditif dalam formulasi EVA.

Gambar 4: EVA berubah warna [5].

Tanpa konsentrasi, dibutuhkan lima hingga sepuluh tahun untuk melihat perubahan warna dan lebih lama untuk mulai mengurangi daya output secara signifikan. Bukan EVA itu sendiri yang berubah warna, tetapi aditif dalam formulasi. Cacat ini dapat mencegah beberapa cahaya mencapai panel [5].

Delaminasi

Delaminasi adalah pemisahan enkapsulan dari kaca atau sel. Delaminasi dapat antara superstrate (kaca), substrat (lembaran belakang) dan enkapsulan atau antara enkapsulan dan sel. Delaminasi dari kaca depan dapat terjadi karena adhesi EVA yang buruk atau prosedur pembersihan kaca yang buruk selama proses fabrikasi. Cacat ini dapat mencegah beberapa cahaya mencapai panel. Masalahnya bisa menjadi lebih serius jika kelembaban menumpuk di kekosongan dan menciptakan sirkuit pendek di dekat kabel solder.

Delaminasi dari sel kemungkinan besar disebabkan oleh hubungan silang yang buruk atau kontaminasi permukaan sel. Cacat ini bisa serius karena ketika gelembung udara dibuat di laminasi, ada kemungkinan untuk akumulasi kelembaban dan korsleting. Delaminasi dari insert terjadi jika EVA tidak melekat dengan baik pada insert selama fabrikasi.

Jalur baru dan korosi berikutnya setelah delaminasi mengurangi kinerja modul, tetapi tidak secara otomatis menimbulkan masalah keselamatan. Namun demikian, delaminasi lembaran belakang dapat memungkinkan kemungkinan terpapar komponen listrik aktif. Ketika sebuah modul dibangun dengan lembaran kaca depan dan belakang, mungkin ada tekanan tambahan yang meningkatkan delaminasi dan / atau kerusakan kaca.

Cacat lembar belakang

Lembar belakang modul berfungsi baik untuk melindungi komponen elektronik dari paparan langsung ke lingkungan dan untuk memberikan operasi yang aman di hadapan tegangan DC yang tinggi. Lembar belakang dapat terdiri dari kaca, atau polimer, dan dapat mengandung kertas logam.

Gambar 5: Delaminasi (Rycroft).

Paling umum, lembaran belakang terdiri dari struktur laminasi dengan polimer yang sangat stabil dan tahan UV, sering merupakan fluoropolimer di luar, langsung terkena lingkungan, lapisan dalam PET, diikuti oleh lapisan enkapsulan [1] .

Saat kaca belakang digunakan sebagai pengganti lembaran belakang, kaca itu bisa rusak karena pecah. Jika modul dikonstruksikan sebagai perangkat film tipis di lembar belakang (substrat CIGS), maka ini menimbulkan bahaya keselamatan yang signifikan selain hilangnya daya yang signifikan atau, lebih mungkin, lengkap untuk modul itu. Mungkin ada celah kecil di sepanjang retakan dan beberapa tegangan yang mampu menghasilkan dan mempertahankan busur listrik.

Jika ini terjadi bersamaan dengan kegagalan dioda bypass, seluruh tegangan sistem dapat hadir di celah menciptakan busur besar dan berkelanjutan yang kemungkinan akan melelehkan kaca, kemungkinan menyalakan api. Namun, jika lembar-belakang kaca pecah dalam modul Si kristal khas, masih akan ada lapisan enkapsulant untuk menyediakan isolasi listrik dalam ukuran kecil.

Delaminasi dari EVA dapat terjadi karena adhesi yang buruk antara EVA dan lembar belakang atau jika lapisan adhesi lembar belakang rusak oleh paparan UV atau kenaikan suhu.

Menguning sisi depan disebabkan oleh degradasi polimer yang digunakan untuk mempromosikan adhesi lembaran belakang khusus ke enkapsulan. Menguning sering dikaitkan dengan sifat mekanik yang memburuk. Dengan cacat ini, ada kemungkinan bahwa lembar belakang pada akhirnya mungkin mengalami delaminasi dan / atau retak [3].

Menguning sisi udara adalah tanda sensitivitas UV yang dapat dipercepat oleh suhu tinggi. Cacat ini juga terjadi pada beberapa lembar belakang sebagai akibat dari degradasi termal. Menguning sering dikaitkan dengan sifat mekanik yang memburuk. Dengan cacat ini, ada kemungkinan bahwa lembar belakang pada akhirnya mungkin mengalami delaminasi dan / atau retak [3].

Bintik panas

Pemanasan titik panas terjadi dalam modul ketika arus operasinya melebihi arus hubung singkat tereduksi (I _sc ) dari sel atau kelompok sel yang teduh atau rusak. Ketika kondisi seperti itu terjadi, sel atau kelompok sel yang terpengaruh dipaksa menjadi bias balik dan harus membuang daya.

Gambar 6: Sel surya silikon kristalin saling berhubungan secara seri dengan tabbing ribbon [6].

Jika disipasi daya cukup tinggi atau cukup terlokalisasi, sel bias terbalik dapat menjadi terlalu panas yang mengakibatkan peleburan solder dan / atau silikon dan kerusakan enkapsulan dan lembaran belakang [5].

Pita konduktor dan kegagalan sambungan

Sel surya dilengkapi dengan dua elemen dasar, kontak depan dan belakang, yang memungkinkan pengiriman arus ke sirkuit eksternal. Saat ini dilakukan oleh strip buss yang disolder ke kontak depan dan belakang. Kegagalan pita tali dikaitkan dengan hilangnya daya keluaran. Istirahat interkoneksi terjadi sebagai akibat dari ekspansi dan kontraksi termal atau tekanan mekanis berulang. Selain itu, pita yang lebih tebal atau kekusutan pada pita berkontribusi pada terputusnya interkoneksi, dan menghasilkan sel hubung pendek dan sel hubung-terbuka.

Bagian penting dari modul ini adalah interkoneksi sambungan solder. Mereka terdiri dari banyak bahan yang diikat bersama termasuk solder, bus-bar, pita dan wafer silikon. Bahan-bahan ini memiliki sifat termal dan mekanik yang berbeda. Dalam ikatan, perakitan mengembangkan masalah keandalan termo-mekanis yang disebabkan oleh perbedaan dalam koefisien ekspansi termal bahan terikat. Solder menyediakan koneksi antara elektroda dan pita.

Suhu modul PV bervariasi sesuai dengan cuaca setempat yang pada gilirannya mempengaruhi laju degradasi interkoneksi solder. Dalam analisis pemodelan prediksi seumur hidup, dilaporkan bahwa untuk jenis modul PV c-Si yang sama yang berlokasi di berbagai kondisi cuaca, masa hidup terpendek di gurun diikuti oleh mereka yang berada di daerah tropis.

Meskipun penggunaan proses penyolderan dalam perakitan sel surya dalam modul PV memiliki keuntungan menghasilkan produk yang memiliki keandalan tinggi dengan biaya produksi minimal, teknologi ini terjadi pada suhu tinggi dengan potensi yang melekat untuk menghasilkan tegangan geser dalam wafer silikon. Kegagalan dan degradasi sambungan solder menyebabkan peningkatan resistansi seri, yang menyebabkan hilangnya daya.

Modul hidup

Semua kesalahan di atas berkontribusi terhadap degradasi dan kegagalan utama panel PV. Modul PV dirancang untuk bertahan selama 20 tahun atau lebih, dan modul baru menjalani program uji dipercepat yang mensimulasikan efek panas, kelembaban, siklus suhu, radiasi UV dan faktor lainnya [5]. Hasil program uji yang dilakukan oleh Kohl ditunjukkan pada Gambar. 7 [7].

Gbr. 7: Tes penuaan yang dipercepat pada modul c-Si komersial [7].

Level daya normal sebesar 0,8 biasanya diambil sebagai akhir masa pakai untuk panel PV. Dapat dilihat dari kurva uji bahwa panel memburuk dengan cepat setelah titik ini.

Pada awal 1990-an, garansi sepuluh tahun adalah khas. Saat ini, hampir semua produsen menawarkan garansi 20 hingga 25 tahun. Tetapi garansi 25 tahun tidak berarti proyek tersebut dilindungi. Seseorang perlu mengajukan pertanyaan-pertanyaan berikut:

• Apakah pemasok modul akan ada dalam 15 tahun ketika masalah muncul?

• Apakah pemasok mendanai akun escrow untuk memastikan bahwa jika itu hilang, proyek akan dilindungi?

• Apakah pemasok hanya mengandalkan tes kualifikasi IEC untuk membuat klaim tentang daya tahan jangka panjang?

• Jika pemasok hanya ada selama lima tahun, bagaimana ia dapat mengklaim bahwa modul berlangsung selama 25 tahun?

Peningkatan panjang garansi menjanjikan, tetapi investor atau pengembang harus hati-hati meninjau perusahaan yang menyediakannya [4].

Referensi

[1] IEA: “ Tinjauan Kegagalan Modul Fotovoltaik ”, Laporan akhir eksternal Tugas 13, IEA-PVPS, Maret 2014.
[2] Dupont: " Panduan untuk memahami cacat panel surya: dari fabrikasi hingga modul yang dipasang", www.dupont.com
[3] M Kontges, dkk: “ Statistik retak modul fotovoltaik kristal ”, Konferensi dan Pameran Energi Fotovoltaik Eropa ke 26, 2011.
[4] E Fitz: “ Dampak garis bawah dari keandalan modul PV ”, Dunia Energi Terbarukan, Maret 2011.
[5] J Wolgemuth et al: " Mode kegagalan modul Si kristal ", Workshop Keandalan Modul PV 2010.
[6] M Zarmai: " Tinjauan teknologi interkoneksi untuk perakitan modul fotovoltaik sel surya silikon kristalin yang ditingkatkan ", Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: Keandalan PV (Cluster II): Hasil proyek gabungan empat tahun Jerman - Bagian I, hasil percepatan uji penuaan dan pemodelan degradasi, EU-PVSEC ke-25, 2010.